Аудиокроссоверы — тип электронного фильтра, которые разделяют на две или более частотные полосы, так что сигналы могут быть посланы на громкоговорители, разработанные для работы в различных частотных диапазонах. Фильтры кроссовера могут быть либо пассивными, либо активными. Их часто описывают как двухполосные или трёхполосные, что показывает разделение сигнала на две или три частотные полосы соответственно. Кроссоверы применяются в акустических системах, усилителях мощности в (hi-fi, домашний кинотеатр и ), а также в и усилителях для музыкальных инструментов. В последних двух случаях кроссоверы используются в , , акустических системах для баса и клавишных, а также в оборудовании для звукоусиления (активные колонки, сценические мониторы, системы сабвуферов и т.д.).
Кроссоверы применяются потому, что большинство отдельных электродинамических головок не способны перекрыть весь спектр звуковых частот от низких до высоких с приемлемой относительной громкостью и отсутствием искажений. Большинство акустических hi-fi систем и кабинетов динамиков использует комбинацию нескольких аудиоголовок, каждый из которых производит свою полосу частот. Типичный простой пример — это корпуса акустических систем Hi-Fi и концертных систем, в которых есть вуфер для низких и средних частот и твитер для высоких частот. Поскольку источник звукового сигнала, будь то записанная музыка с проигрывателя компакт-дисков, или микс живой группы с микшерного пульта, содержит все низкие, средние и высокие частоты вместе, используется кроссоверная схема для разделения аудиосигнала на раздельные полосы частот, которые могут быть потом направлены на динамики, твитеры или рупоры, оптимизированные для этих полос частот.
Пассивные кроссоверы, возможно, являются наиболее распространённым типом аудиокроссоверов. Они используют пассивные электрические компоненты (такие как конденсаторы, индукционные катушки и сопротивления) для разделения усиленного сигнала, поступающего от усилителя мощности, чтобы его можно было направить на две или более головок (например, на вуфер и сабвуфер с очень низкой частотой, или вуфер и твитер, или комбинации вуфер-среднечастотная головка-твитер).
Активные кроссоверы отличаются от пассивных кроссоверов тем, что они разделяют аудиосигнал до этапа усиления мощности, так что он может быть послан на два или более усилителя мощности, каждый из которых соединён с отдельным динамиком домашнего кинотеатра использует кроссовер, который отделяет сигнал очень низкой частоты, так что он может быть послан на сабвуфер, а затем посылает оставшиеся низко-, средне- и высокочастотные сигналы на пять динамиков, которые расположены вокруг слушателя. В типичном приложении сигналы, посланные в кабинеты объёмного звука далее разделяются с помощью пассивных кроссоверов на низко-/среднечастотный вуфер и высокочастотный твитер. Активные кроссоверы бывают как цифровыми, так и аналоговыми.
Цифровые активные кроссоверы часто включают дополнительную обработку сигнала, такую как , задержка и эквализация (частотная коррекция). Кроссоверы позволяют разделять аудиосигнал на полосы, которые обрабатываются отдельно, прежде чем снова смешиваются. Примерами могут служить многополосный компрессор, лимитинг, , многополосные искажения, усиление басов, эксайтеры высоких частот и шумоподавление, например, шумоподавление Dolby A.
Обзор
Определение идеального аудиокроссовера зависит от конкретной задачи и области применения. Если предполагается последующее сведение разделённых полос частот (например, в многополосной обработке), то идеальный кроссовер должен разделять входящий аудиосигнал на отдельные полосы без взаимного наложения или влияния друг на друга. В результате такого разделения выходной сигнал должен оставаться неизменным по частотной характеристике, относительным уровням и фазовой характеристике. Достичь такого идеального результата возможно лишь приблизительно. Как реализовать лучшую аппроксимацию является предметом активных дискуссий. С другой стороны, если аудиокроссовер разделяет аудио полосы между головками, нет необходимости в математически идеальных характеристиках для самого кроссовера, поскольку сами динамики и их крепления оказывают гораздо большее влияние на итоговую частотную и фазовую характеристики системы. Главной целью является удовлетворительное звучание всей системы, состоящей из аудиокроссовера и динамиков в их корпусах. Часто эта цель достигается с помощью неидеальных, асимметричных характеристик фильтров кроссовера.
В аудиотехнике используется много различных типов кроссоверов, но они, в основном, принадлежат следующим классам.
Классификация
Классификация на основе числа секций фильтра Громкоговорители часто классифицируются как «N-полосные», где N — число динамиков в системе. Например, аудиосистема с вуфером и твитером является двухполосный аудиосистемой. N-полосная аудиосистема обычно имеет N-полосный кроссовер для деления сигнала на аудиоголовки. Двухполосный кроссовер состоит из фильтра нижних частот и фильтра верхних частот. Трёхполосный кроссовер строится как комбинация фильтров нижних частот (ФНЧ), средних частот (ФСЧ) и верхних частот (ФВЧ). Полосовой фильтр ФСЧ, в свою очередь, является комбинацией секций ФНЧ и ФВЧ. Кроссоверы с четырьмя и более полосами не очень распространены в акустических системах, в основном из-за сложности их реализации, которая, как правило, не оправдывается улучшением акустических характеристик.
В кроссовере акустической системы «N-полосного» типа может присутствовать дополнительная секция фильтра верхних частот для защиты низкочастотной головки от сверхнизких частот, которые он не способен безопасно воспроизводить. Такой кроссовер будет иметь полосовой фильтр для динамика с наименьшей полосой частот. Аналогично, для высокочастотного динамика может быть предусмотрена защитная секция фильтра нижних частот для предотвращения повреждения высокочастотным сигналом, хотя это встречается гораздо реже.
В последнее время некоторые производители начали применять так называемые кроссоверные схемы «N.5-полосного» типа для стереофонических акустических систем. Обычно это означает добавление второго вуфера, который воспроизводит тот же диапазон басов, что и основной вуфер, но отключается значительно раньше основного вуфера.
Замечание: Упомянутые здесь секции фильтров не следует путать с отдельными секциями двухполюсных фильтров, из которых состоит фильтр более высокого порядка.
Классификация на основе компонентов Кроссоверы можно также классифицировать на основе используемых компонентов.
Пассивные
Пассивный кроссовер разделяет аудиосигнал после его усиления одним усилителем мощности, так что усиленный сигнал может быть направлен на два и более типа динамиков, каждый из которых воспроизводит свой диапазон часто. Такие кроссоверы полностью сделаны из пассивных компонентов и схем. Термин «пассивный» означает, что для работы не требуется дополнительный источник питания. Пассивный кроссовер просто подключается к сигналу усилителя мощности с помощью проводов. Пассивные кроссоверы обычно строятся по для достижения эффекта фильтра Баттерворта. Пассивные фильтры используют сопротивления в сочетании с реактивными элементами, такими как конденсаторы и катушки индуктивности. Высокопроизводительные пассивные кроссоверы, как правило, дороже активных, поскольку компоненты, способные эффективно работать при высоких токах и напряжениях, используемых в акустических системах трудно изготовить.
Недорогие продукты , такие как бюджетные и недорогие бумбоксы, могут использовать пассивные кроссоверы более низкого качества, часто с фильтрами низкого порядка, содержащими меньше компонентов. Дорогие hi-fi акустические системы и ресиверы могут оснащаться пассивными кроссоверами более высокого качества для достижения улучшенного звучания и снижения искажений. Такой же подход, основанный на соотношении цены и качества, часто применяется к оборудованию для звукоусиления, а также к усилителям и акустическим системам для музыкальных инструментов. Недорогие сценические мониторы, или или кабинеты басовых усилителей обычно используют пассивные кроссоверы более низкого качества и стоимости, тогда как в дорогих высококачественных кабинетах применяются кроссоверы лучшего качества. Пассивные кроссоверы могут использоваться полипропиленовые, металлизированные полиэфирные плёночные или электролитические конденсаторы. Катушки индуктивности могут иметь воздушный сердечник, сердечник из порошкового маталла, ферритовый сердечник или сердечник из слоистой кремниевой стали, и большинство из них намотаны эмалированным медным проводом.
Некоторые пассивные схемы включают устройства, такие как предохранители, полимерные самовосстанавливающиеся предохранители, лампы или автоматические выключатели для защиты динамиков от случайного превышения мощности (например, от внезапных скачков напряжения). Современные пассивные кроссоверы все чаще включают в себя цепи эквализации (например, ), которые компенсируют изменения импеданса в зависимости от частоты, присущие практически всем акустическим системам. Эта проблема сложна, поскольку часть изменений импеданса обусловлена изменениями акустической нагрузки в полосе пропускания динамика.
Два недостатка пассивных сетей в том, что они могут быть громоздки и вызывать потери мощности. Они не только зависят от частоты, но и от импеданса (то есть их отклик меняется в зависимости от подключённой электрической нагрузки). Это препятствует их взаимозаменяемости с акустическими системами разного импеданса. Идеальные кроссоверные фильтры, включая схемы компенсации импеданса и эквализации, могут быть очень сложны в разработке, поскольку компоненты взаимодействуют друг с другом сложным образом. Эксперт по проектированию кроссоверов сказал о них: «Единственное оправдание пассивных кроссоверов — их низкая стоимость. Их поведение меняется в зависимости от динамики головок, зависящей от уровня сигнала. Они мешают усилителю полностью контролировать движение звуковой катушки. Они пустая трата времени, если целью является точность воспроизведения». В качестве альтернативы, пассивные компоненты могут быть использованы для создания фильтрующих цепей перед усилителем. Такая реализация называется пассивным кроссовером линейного уровня.
Активные
Активный кроссовер включает в свои фильтры активные компоненты, такие как транзисторы и операционные усилители, В последние годы наиболее часто используемым активным устройством стал операционный усилитель. В отличие от пассивных кроссоверов, которые работают после выходного каскада усилителя мощности при большом токе и в некоторых случаях при высоком напряжении, активные кроссоверы функционируют на уровнях, подходящих для входов усилителей мощности. С другой стороны, все схемы с коэффициентом усиления вносят шум, и такой шум оказывает негативное влияние, когда он появляется до усиления сигнала оконечным усилителем.
Активные кроссоверы всегда требуют использование усилителей мощности для каждой выходной полосы. Так, двухполосный активный кроссовер требует двух усилителей — один для вуфер и один для твитера. Это означает, что система громкоговорителей, основанная на активных кроссоверах будет часто стоить больше, чем основанная на пассивном кроссовере. Несмотря на недостатки, связанные со стоимостью и сложностью, активные кроссоверы предоставляют следующие преимущества перед пассивными:
частотная характеристика независима от динамических изменений электрических изменений головки (например, от нагрева звуковой катушки). как правило, возможность легко изменять или точно настроить каждую полосу частот под конкретные используемые динамики. Примерами могут служить крутизна среза кроссовера, тип фильтра (например, Бесселя, Баттерворта, Линквица — Райли и т.д.), относительные уровни и т. п. лучшая изоляция каждой головки от сигналов, обрабатываемых другими динамиками, что снижает интермодуляционные искажения и перегрузку